近日，来自加拿大西蒙菲莎大学的Byron D. Gates团队提出了一种新的机制：可以通过非辐射耦合到嵌入的金纳米颗粒的局部表面等离激元共振，显著增强单个铌酸锂颗粒的二次谐波生成。这一新机制极大的提高了非线性效率，为非线性光学的研究提供了新的思路，并对设计新的亚波长非线性光学平台具有极其重要的作用。
研究背景
在微纳米材料中使用非线性光学谐波产生的超快光学频率转换逐渐成为了光子学基础和应用、材料科学、化学和生物学中新型传感和成像技术等领域发展的关键。二次谐波生成（second harmonic generation，SHG）是最为简单的非线性光学过程之一。在SHG过程中，两个以基频振荡的输入场相干组合成以两倍基频振荡的输出场。SHG因其窄带操作、非线性光学过程中相对较高的效率以及在各种无机材料中自然产生而受到广泛关注。
然而，即使在优良的非线性光学材料中，支撑SHG的非线性波动通常仍然比超快应用所需的～1皮秒时间尺度弱或慢。为了克服这一困难，学者们在大型非线性光学晶体中进行了SHG光子学设计，使得基波和SH波可以相互干涉，以克服本质上较低的SHG效率。然而，由于纳米结构粒子的复杂场分布，这一方法对于纳米级结构的SHG器件并没有效果。这导致纳米级超快非线性光学过程的绝对效率往往取决于所用非线性光学材料的微观体积。因此，如果能实现对于纳米尺寸下，非线性光学效率限制的突破，无疑具有极其重要的研究与应用价值。
创新研究
在本研究中，研究者通过使用金纳米粒子无序阵列的表面局域化近场，为光在纳米局域化上转换创建了一种新的能量转移途径，从而解决了非线性纳米光子学中面临的科学与工程挑战。该方案中无序的纳米结构由直径约 1 µm 的介孔铌酸锂微球组成，微球覆盖在直径为10 nm的金纳米粒子分散层中，可直接实现高通量的合成过程（图一），在有效避免了精密纳米制造困难的同时，在铌酸锂和金表面之间产生了具有大量场强增强区域的非线性光学系统。
实验结果显示，本研究所设计的几何形状将SHG增强了32倍。基于测量和表征进一步分析表明，这种增强来源于通常被认为不适合用于远场增强的金属纳米天线的近场定位和共振行为（图二，图三）。因此，该研究结果不仅首次实现了大于10的单个无序纳米结构的非线性光学增强因子，也发现了强亚波长纳米粒子可以增强SHG的新机制（图四）。这一结果对纳米尺寸下的非线性光学器件的研究与应用具有极其重要的意义，同时也对使用非线性光学技术的多种领域的发展具有促进作用。
图一：杂化金-铌酸锂纳米结构的合成。（a）使用原位合成方法制备金纳米颗粒与铌酸锂杂化物的示意图，用扫描电子显微镜（scanning transmission electron microscopy，STEM）对金-铌酸锂杂化粒子的集合在下列模式进行表征的结果。（b，c，d）高角度环形暗场（high-angle annular dark-?eld，HAADF）模式，通过STEM技术获得的金-铌酸锂杂化物的能量色散X射线光谱（energy dispersive X-ray spectroscopy, EDS）分析被用于绘制以下的EDS图。（e）金纳米颗粒。（f）金纳米颗粒覆盖在组件的HAADF图像。（g）在这些组件中叠加金-铌信号。
图二：实验流程。(a) 用于表征单个粒子的二次谐波产生 (second harmonic generation, SHG) 响应的显微镜配置示意图，该显微镜采用反射模式设置，配备飞秒激光器、半波片和不同放大倍数的物镜，包括 63倍油浸透镜。(b)杂化金-铌酸锂颗粒的样品几何形状示意图。
图三：实验测量和理论计算得到的光谱。(a) 纯铌酸锂粒子（黑色）和杂化金-铌酸锂粒子（红色）与模拟的偶极等离子体消光（金色）相比，测量的消光光谱。这些光谱显示杂化金-铌酸锂颗粒在波长530 nm处有等离子体峰，而纯铌酸锂颗粒是光学透明的。(b) 在白光照明的暗场配置中测量的单个纯铌酸锂颗粒和单个杂化金-铌酸锂颗粒的光散射光谱。(b)中的插图描绘了单个铌酸锂颗粒（黑色）和支撑在玻璃盖玻片上的单个金-铌酸锂混合颗粒的灰色图像（红色）（比例尺为2微米）。数据进行了最大值归一化处理。(c) 介电常数为 6.3+0.05i 且半径为 700 nm的模型微球的理论散射截面（绿色）与实验测量的单个纯铌酸锂颗粒（黑色）的散射数据相比，归一化范围为0到1。
图四：二次谐波生成增强。 (a) 当FW从 800 nm（紫色）调谐到 960 nm（红色）时，杂化金-铌酸锂粒子的SHG光谱。(b) 800 nm处SHG的功率依赖性。在 SH（蓝点）处散射的功率与 FW处的输入激光功率与功率 b = 1.99（±0.02 的 95% 置信区间，参见 [黑线]）乘以归一化常数C的值成正比。（c )通过将激发激光波长从 850 nm 扫描到 1070 nm，步长为 5nm，记录单个杂化金-铌酸锂纳米结构的散射 SHG功率随基本波长的变化。实验结果（蓝色、红色）与模拟的近场耦合增强（黑色）接近重合。插图：作为球体半径和光子能量函数的纯 LiNbO 3 球体的窄Mie-共振的响应函数。响应函数最大值（金色/白色）位于与 SHG 增强峰相同的共振能量 ωβ处，这意味着随着a2的增加（减少），窄 SHG 增强特征发生红色（蓝色）偏移。白点表示主面板中显示的偏移峰位置。(d)系统内光能量传输路径图。从左开始，顺时针方向依次为：入射光（深红色）、SHG（蓝色箭头）通过能量从非线性偏振（蓝色矢量场）转移到 Mie 共振（光晕）、超辐射 Prucell增强 SHG和近场增强 SHG。
该文章发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》，题为“Near-Field Enhancement of Optical Second Harmonic Generation in Hybrid Gold-Lithium Niobate Nanostructures”, Rana Faryad Ali为本文的第一作者，Byron D. Gates为本文的通讯作者。（来源：LightScienceApplications微信公众号）
相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s41377-023-01092-8
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